專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于真空熔煉爐內(nèi)鋼液成分在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于真空熔煉爐內(nèi)鋼液成分在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)探頭。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)的發(fā)展，對(duì)鋼的質(zhì)量(如鋼的純凈度)的要求越來(lái)越 高，爐外二次精煉逐漸受到煉鋼工作者和科研人員的重視，而爐內(nèi)成分檢測(cè)是最關(guān)鍵的，也 是世界各國(guó)都在努力解決的問(wèn)題，因?yàn)樗鼘?duì)爐外精煉更有效的操作和定量控制，獲得高質(zhì) 量產(chǎn)品是至關(guān)重要的。目前已發(fā)展起來(lái)的主要分析方法有如下幾種。1.火花直讀光譜儀和X射線熒光光譜儀這些儀器自身的分析時(shí)間很短(小于1分 鐘)，能夠分析多種關(guān)注元素的含量，分析測(cè)試本身的時(shí)間能夠滿足工業(yè)需求，但是分析之 前必須進(jìn)行采樣和樣品處理，要求較多的人為參與，在連續(xù)高速冶煉過(guò)程中分析周期仍然 略顯過(guò)長(zhǎng)。2.平衡分壓法探頭(定氫探頭)。溶解在熔融金屬中的某些氣體的活度與熔融金 屬表面上該氣體分壓之間符合Sieverts定律，以該理論為基礎(chǔ)建立的分析系統(tǒng)的核心是 實(shí)現(xiàn)氣體分壓的測(cè)定。迄今為止，所提出的方法都是基于向熔融金屬中吹入載氣，循環(huán)平衡 后，在氣路中實(shí)現(xiàn)測(cè)定的方案。平衡分壓法測(cè)定液體金屬中氫的方法是其中最為成功的例 子，并開(kāi)始用于現(xiàn)場(chǎng)。3.固體電解質(zhì)濃差電池探頭(定氧探頭)。以固體電解質(zhì)濃差電池敏感元件為基 礎(chǔ)的探頭，可根據(jù)待測(cè)成分活度所響應(yīng)的電勢(shì)或其他信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。其中最成功的是定氧 探頭。定氧探頭以氧化鎂(MgO)或氧化鈣(CaO)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO)管作為固體電解質(zhì)，以 Cr/Cr203作為參比電極。煉鋼工藝現(xiàn)場(chǎng)鋼液中氧的測(cè)定系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地傳遞鋼液中氧活 度的信息，有利于冶煉過(guò)程及質(zhì)量的控制。4.結(jié)晶定碳探頭。所謂結(jié)晶定碳探頭實(shí)際上是一個(gè)帶熱電偶的樣杯。它的測(cè)定 過(guò)程是在探頭離開(kāi)鋼液時(shí)完成的。隨著樣杯冷卻根據(jù)碳析晶溫度曲線來(lái)判斷鋼液中碳的含 量，測(cè)得的含碳量須乘以校準(zhǔn)系數(shù)才是鋼液中實(shí)際含碳量。因此這種方法主要用于冶煉中 間過(guò)程的平衡計(jì)算，而不能作為判斷終點(diǎn)的依據(jù)。以上這些成分分析技術(shù)或者分析周期長(zhǎng)，不能及時(shí)、快速地反映爐內(nèi)成分的變化， 或者每次測(cè)量只能針對(duì)某種元素，不能多元素同時(shí)測(cè)量，所以多元素同時(shí)直接測(cè)定鋼液中 的成分一直是煉鋼工作者及工藝人員所追求的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種用于真空熔煉爐內(nèi)鋼 液成分在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)探頭，本發(fā)明能配合在線成分監(jiān)測(cè)一體機(jī)實(shí)現(xiàn)真空熔煉過(guò)程中 鋼液成分變化的在線監(jiān)測(cè)及終點(diǎn)的判斷。本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。一種用于真空熔煉爐在線成分監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)探頭，包括光學(xué)探頭和多維調(diào)整光 臂，光學(xué)探頭具有三端，其中一端與多維調(diào)整光臂連接，一端口與真空熔煉爐連接，另一端與傳導(dǎo)光纖連接，該三端的交匯處設(shè)有二向色鏡；與傳導(dǎo)光纖連接的一端內(nèi)設(shè)有第一聚焦 透鏡；與真空熔煉爐連接的一端(即探頭前端)內(nèi)設(shè)有能在小型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下作上下移 動(dòng)的第二聚焦透鏡，且該端口處設(shè)有用于測(cè)量第二聚焦透鏡到鋼液液面距離的超聲波發(fā)射 器和接收器；所述多維調(diào)整光臂內(nèi)設(shè)有用于反射傳輸脈沖激光至所述二向色鏡的激光反射 鏡，所述脈沖激光穿過(guò)二向色鏡后由第二聚焦透鏡聚焦到鋼液表面上形成等離子體，等離 子體發(fā)射光譜經(jīng)第二聚焦透鏡收集后被二向色鏡反射到第一聚焦透鏡上，經(jīng)聚焦后耦合到 所述傳導(dǎo)光纖。上述的檢測(cè)探頭中，所述光學(xué)探頭包括兩根金屬圓管，所述兩根金屬圓管構(gòu)成T 形三通結(jié)構(gòu)，T形三通結(jié)構(gòu)分為上端、中端和下端，上端和下端位于直通通道上，下端安裝有 所述超聲波發(fā)射器和接收器，在T形三通結(jié)構(gòu)三端的交匯處設(shè)有所述二向色鏡，在下端所 在的通道內(nèi)設(shè)有能在所述型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下作上下移動(dòng)的所述第二聚焦透鏡，在中間端所 處通道的金屬圓管內(nèi)壁設(shè)有所述第一聚焦透鏡，中間端連接有傳導(dǎo)光纖；所述上端與多維 調(diào)整光臂的一端連接，多維調(diào)整光臂內(nèi)設(shè)有用于傳輸激光光束的激光反射鏡。上述的檢測(cè)探頭中，所述多維調(diào)整光臂包括可伸縮管和連接關(guān)節(jié)。上述的檢測(cè)探頭中，所述多維調(diào)整光臂由多個(gè)可伸縮管和多個(gè)連接關(guān)節(jié)構(gòu)成，相 鄰兩連接關(guān)節(jié)分別安裝于可伸縮管的兩端；可伸縮管能通過(guò)連接關(guān)節(jié)以相鄰的可伸縮管為 軸繞轉(zhuǎn)而調(diào)整角度，實(shí)現(xiàn)多維調(diào)整；連接關(guān)節(jié)內(nèi)設(shè)有所述激光反射鏡。上述的檢測(cè)探頭中，多維調(diào)整光臂的一端與所述T形三通結(jié)構(gòu)的上端連接，另一 端與發(fā)出高能量激光光束的一體化主機(jī)連接。上述的檢測(cè)探頭中，所述光學(xué)探頭的下端固定在真空熔煉爐的備用觀察孔上，并 配置有耐高溫油性密封圈，且該端的金屬圓管與真空熔煉爐接觸的部位設(shè)有耐高溫油性密 封圈，保證光學(xué)探頭中的聚焦透鏡在調(diào)整時(shí)有良好的密封效果，不影響真空熔煉爐的氣密 性。上述的檢測(cè)探頭中，所述多維調(diào)整光臂由可伸縮管和連接關(guān)節(jié)配合使用，達(dá)到多 維調(diào)整的目的，其中連接關(guān)節(jié)內(nèi)夾持有激光反射鏡，可反射傳輸高能量的脈沖激光；所述的 光學(xué)探頭前端的超聲波發(fā)射器及接收器用于確定探頭中聚焦透鏡到鋼液液面的距離，并通 過(guò)小型伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，使聚焦透鏡的焦點(diǎn)剛好落在鋼液液面上。本發(fā)明所依托的成分分析技術(shù)是基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析原理。激光誘導(dǎo)擊穿 光譜是一種典型的原子發(fā)射光譜。脈沖激光經(jīng)聚焦透鏡聚焦在鋼液表面上，聚焦點(diǎn)處的樣 品表面被瞬間加熱到IO4K以上的高溫而汽化，產(chǎn)生高溫高電子密度的等離子體。在等離子 體冷卻過(guò)程中，發(fā)射出表征被激發(fā)樣品元素信息的特征譜線，根據(jù)光譜的特征譜線波長(zhǎng)及 其強(qiáng)度得到對(duì)應(yīng)的元素種類(lèi)和濃度信息，從而對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行定性和定量分析。本發(fā)明工作時(shí)，由一體化主機(jī)向外發(fā)射出的高能量脈沖激光，經(jīng)過(guò)多維調(diào)整光臂 反射傳輸?shù)焦鈱W(xué)探頭并聚焦在鋼液表面，激光作用點(diǎn)處的鋼液被燒蝕汽化，形成高溫高電 子密度的等離子體，等離子體迅速膨脹冷卻并發(fā)射出表征被激發(fā)樣品元素信息的特征光 譜。該發(fā)射光譜由光學(xué)探頭收集耦合進(jìn)傳導(dǎo)光纖，傳輸至一體化主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和傳輸 保存。為了保證光學(xué)探頭內(nèi)聚焦透鏡和鋼液表面的距離，在光學(xué)探頭上裝備超聲波發(fā)射器 及接收器，將測(cè)量距離的信息反饋到一體化主機(jī)中，控制光學(xué)探頭 的小型伺服電機(jī)進(jìn)行 升降定位調(diào)整。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及效果如下
1.裝置體積小，安裝靈活方便，并且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控；
2.檢測(cè)過(guò)程無(wú)需取樣，屬非接觸性測(cè)量技術(shù)，不會(huì)對(duì)精煉工藝過(guò)程產(chǎn)生干擾；
3.配合在線成分監(jiān)測(cè)一體化主機(jī)，可實(shí)現(xiàn)碳、氫、氧等非金屬元素和各種金屬元素 的同時(shí)測(cè)量。


圖1為實(shí)施方式中真空熔煉爐在線成分監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為檢測(cè)探頭中的光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為檢測(cè)探頭中的多維調(diào)整光臂結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為多維調(diào)整光臂中連接關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)范圍不 限于此。如圖1所示，本發(fā)明的檢測(cè)探頭包括兩個(gè)部分組成光學(xué)探頭1和多維調(diào)整光臂 2，它們結(jié)合一體化主機(jī)3進(jìn)行工作。光學(xué)探頭1的具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。由兩根內(nèi)徑為50cm的金屬圓管組成 類(lèi)似T型三通的構(gòu)造。在金屬圓管內(nèi)夾持固定有第一聚焦透鏡4、第二聚焦透鏡5和二向色 鏡6，探頭前端(即T型三通的下端)配有超聲波發(fā)射器11及接收器10和小型伺服電機(jī)7。 通過(guò)超聲波發(fā)射器11和接收器10可測(cè)量出第二聚焦透鏡5到鋼液液面距離，并把測(cè)量到 的距離信息反饋至一體化主機(jī)3中，通過(guò)小型伺服電機(jī)7進(jìn)行調(diào)整，可使第二聚焦透鏡5的 焦點(diǎn)剛好落在鋼液液面上。一體化主機(jī)3產(chǎn)生的脈沖激光穿過(guò)二向色鏡6后由聚焦透鏡5 聚焦到鋼液表面上形成等離子體，發(fā)射光譜經(jīng)聚焦透鏡5收集被二向色鏡6反射到聚焦透 鏡4上，經(jīng)聚焦后耦合到傳導(dǎo)光纖8，傳輸至一體化主機(jī)3中的系統(tǒng)進(jìn)行處理。下端金屬圓 管與真空熔煉爐接觸的部位設(shè)有耐高溫油性密封圈9，可以保證光學(xué)探頭中的聚焦透鏡5 在升降調(diào)整時(shí)保持有良好的密封效果。多維調(diào)整光臂2的具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3、圖4所示。由可伸縮管12和連接關(guān)節(jié) 13配合組成，其中可伸縮管12采用內(nèi)徑為50cm的關(guān)節(jié)式鋼管外套，可自由伸縮調(diào)整長(zhǎng)度， 連接關(guān)節(jié)13內(nèi)夾持有激光反射鏡14，可反射傳輸高能量的激光光束，可伸縮管12可通過(guò)連 接關(guān)節(jié)13以相鄰的可伸縮管為軸繞轉(zhuǎn)調(diào)整角度，實(shí)現(xiàn)多維調(diào)整；
本發(fā)明工作原理如下一體化主機(jī)3發(fā)出高能量激光脈沖在多維調(diào)整光臂2內(nèi)反射傳 輸?shù)焦鈱W(xué)探頭1聚焦在鋼液表面，一小部分的鋼液會(huì)在聚焦點(diǎn)處被燒蝕汽化，形成高溫高 電子密度的等離子體，等離子體迅速冷卻并發(fā)射出表征被激發(fā)樣品元素的特征光譜。該發(fā) 射光譜由光學(xué)探頭1收集耦合進(jìn)傳導(dǎo)光纖8，傳輸至一體化主機(jī)3進(jìn)行處理，一體化主機(jī)中 的系統(tǒng)將分析得到的鋼液成分信息顯示于一體化主機(jī)3上，同時(shí)傳輸至中央控制系統(tǒng)。為 了使激光能準(zhǔn)確聚焦在鋼液表面，在光學(xué)探頭上裝有超聲波發(fā)射器11及接收器10，將測(cè)量 距離的信息反饋到一體化主機(jī)3中，并通過(guò)小型伺服電機(jī)7進(jìn)行升降定位調(diào)整。該設(shè)備使用前，首先用法蘭連接方式將光學(xué)探頭1固定在真空熔煉爐的備用觀測(cè)孔上，完畢后超聲波發(fā)射器11及接收器10將測(cè)量距離的信息反饋到一體化主機(jī)3中，并通 過(guò)小型伺服電機(jī)7對(duì)第二聚焦透鏡5進(jìn)行升降定位調(diào)整，并顯示在一體化主機(jī)3上。然后 通一體化主機(jī)3發(fā)出高能量的雙脈沖激光在多維調(diào)整光臂2內(nèi)反射傳輸?shù)焦鈱W(xué)探頭1，并由 焦距為500cm的第二聚焦透鏡5聚焦在鋼液表面上，一小部分的鋼液會(huì)在聚焦點(diǎn)處被燒蝕 汽化，形成高溫高電子密度的等離子體，等離子體迅速冷卻并發(fā)射出表征被激發(fā)部分元素 的特征光譜。該發(fā)射光譜經(jīng)第二聚焦透鏡5收集被二向色鏡6反射到第一聚焦透鏡4上耦 合進(jìn)傳導(dǎo)光纖8，并傳輸至一體化主機(jī)3進(jìn)行分析處理，得到鋼液成分信息，顯示于一體化 主機(jī)3上。
權(quán)利要求
一種用于真空熔煉爐內(nèi)鋼液成分在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)探頭，其特征在于包括光學(xué)探頭和多維調(diào)整光臂，光學(xué)探頭具有三端，其中一端與多維調(diào)整光臂連接，一端與真空熔煉爐連接，另一端與傳導(dǎo)光纖連接，該三端的交匯處設(shè)有二向色鏡；與傳導(dǎo)光纖連接的一端內(nèi)設(shè)有第一聚焦透鏡；與真空熔煉爐連接的一端內(nèi)設(shè)有能在小型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下作上下移動(dòng)的第二聚焦透鏡，且該端口處設(shè)有用于測(cè)量第二聚焦透鏡到鋼液液面距離的超聲波發(fā)射器和接收器；所述多維調(diào)整光臂內(nèi)設(shè)有用于反射傳輸脈沖激光至所述二向色鏡的激光反射鏡，所述脈沖激光穿過(guò)二向色鏡后由第二聚焦透鏡聚焦到鋼液表面上形成等離子體，等離子體發(fā)射光譜經(jīng)第二聚焦透鏡收集后被二向色鏡反射到第一聚焦透鏡上，經(jīng)聚焦后耦合到所述傳導(dǎo)光纖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)探頭，其特征在于所述光學(xué)探頭包括兩根金屬圓管，所 述兩根金屬圓管構(gòu)成T形三通結(jié)構(gòu)，T形三通結(jié)構(gòu)分為上端、中端和下端，上端和下端位于 直通通道上，下端安裝有所述超聲波發(fā)射器和接收器，在T形三通結(jié)構(gòu)三端的交匯處設(shè)有 所述二向色鏡，在下端所在的通道內(nèi)設(shè)有能在所述型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下作上下移動(dòng)的所述第 二聚焦透鏡，在中間端所處通道的金屬圓管內(nèi)壁設(shè)有所述第一聚焦透鏡，中間端連接有傳 導(dǎo)光纖；所述上端與多維調(diào)整光臂的一端連接，多維調(diào)整光臂內(nèi)設(shè)有用于傳輸激光光束的 激光反射鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測(cè)探頭，其特征在于所述多維調(diào)整光臂包括可伸縮管和連 接關(guān)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的檢測(cè)探頭，其特征在于所述多維調(diào)整光臂由多個(gè)可伸縮管和 多個(gè)連接關(guān)節(jié)構(gòu)成，相鄰兩連接關(guān)節(jié)分別安裝于可伸縮管的兩端；可伸縮管能通過(guò)連接關(guān) 節(jié)以相鄰的可伸縮管為軸繞轉(zhuǎn)而調(diào)整角度，實(shí)現(xiàn)多維調(diào)整；連接關(guān)節(jié)內(nèi)設(shè)有所述激光反射鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的檢測(cè)探頭，其特征在于多維調(diào)整光臂的一端與所述T形三通 結(jié)構(gòu)的上端連接，另一端與發(fā)出高能量激光光束的一體化主機(jī)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的檢測(cè)探頭，其特征在于所述光學(xué)探頭的下端固定在真空熔煉 爐的備用觀察孔上，且該端的金屬圓管與真空熔煉爐接觸的部位設(shè)有耐高溫油性密封圈。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于真空熔煉爐內(nèi)鋼液成分在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)探頭。其目的在于配合鋼液在線成分監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)真空熔煉過(guò)程中鋼液成分變化的在線監(jiān)測(cè)及終點(diǎn)的判斷，本發(fā)明包括光學(xué)探頭和多維調(diào)整光臂。光學(xué)探頭由兩根金屬圓管組成類(lèi)似三通的構(gòu)造，金屬圓管內(nèi)夾持固定有聚焦透鏡和二向色鏡，配置有傳導(dǎo)光纖，探頭前端裝配超聲波發(fā)射器及接收器和小型伺服電機(jī)，該光學(xué)探頭用于實(shí)現(xiàn)傳輸和聚焦脈沖激光，同時(shí)收集和耦合光譜信號(hào)功能；多維調(diào)整光臂由可伸縮管和連接關(guān)節(jié)配合使用，達(dá)到多維調(diào)整的目的，其中連接關(guān)節(jié)內(nèi)配有激光反射鏡，可反射傳輸高能量的脈沖激光。本發(fā)明具有體積小，安裝方便靈活，無(wú)需取樣，不會(huì)對(duì)精煉工藝過(guò)程產(chǎn)生影響的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/71GK101936908SQ20101025815
公開(kāi)日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者姚順春, 李俊彥, 李軍, 潘圣華, 董美蓉, 陸繼東, 陳凱 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)